МОЩНЫЕ МИКРОВОЛНОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ ЭЛЕКТРОН-ПОЗИТРОННЫХ СУПЕР-КОЛЛАЙДЕРОВ

October 27, 2014 by admin Комментировать »

Б. Е. Балакин, С. Ю. Казаков, Л. Е. Лунин, В. И. Чашурин Филиал Института ядерной физики, Протвино

Введение

Дальнейшее развитие физики высоких энергий, необходимое для более глубокого понимания фундаментальных законов нашего мира, связывается с созданием лептонных линейных коллайдеров с энергией пучков порядка 1 ТэВ. Почему лептонные коллайдеры, если уже существуют протон-антипротонные коллайдеры такого уровня энергии? Причина в том, что протон и антипротон в современном понимании не являются элементарными частицами, как лептоны (электроны, позитроны, мюоны), а состоят из нескольких более элементарных частиц – кварков. Так как протон (антипротон) состоит из нескольких кварков, то энергия сталкивающихся частиц оказывается в несколько раз ниже энергии ускоренных пучков, а результат взаимодействия – более сложным для анализа в силу того, что в столкновении участвует большее число частиц. Линейными коллайдеры должны быть потому, что лептоны – легкие частицы и энергия порядка тераэлектронвольт соответствует большему релятивистскому фактору. Мощность синхротронного излучения в циклических ускорителях пропорциональна четвертой степени релятивистского фактора и обратно пропорциональна квадрату радиуса орбиты частицы. Поэтому циклический ускоритель с такой энергией пучков лежит за пределами современных технических возможностей либо по необходимой мощности для компенсации потерь через синхротронное излучение, либо по величине периметра.

Впервые проект линейных коллайдеров был предложен в ИЯФ СО АН в 1978 году Балакиным, Будкером, Скринским [1]. Сейчас линейные коллайдеры считаются основным направлением и над их проектами работают ведущие ускорительные центры мира [2]. Создание линейного коллайдера ставит огромное количество труднейших задач. К примеру, для обеспечения приемлемой светимости сталкивающиеся пучки должны иметь в месте встречи размеры в несколько десятков нанометров. При этом длина ускорителя составляет 10-20 км. Пучок должен быть проведен через ускоритель с сохранением эмиттанса, позволяющего фокусировать его в столь малые размеры. Из этого условия следует, что многокилометровый ускоритель должен быть выставлен с точностью до нескольких микрон. Из-за движения земной поверхности ускоритель может сохранять необходимую точность выставки всего лишь несколько минут, что означает: нужны системы и алгоритмы непрерывной выставки по пучку. Ускоряющие структуры должны быть выполнены специальным образом, чтобы амплитуда возбуждаемых wake-nonQu не приводила к заметному увеличению фазового размера пучка и т. п.

Одной из ключевых задач при создании линейного коллайдера является разработка СВЧ-источника. Длина ускорителя и, соответственно, стоимость зависят от темпа ускорения. Экспериментально было выяснено, что структуры с медной поверхностью могут обеспечить темп ускорения близкий к 100 МВ/м [3]. Выбирая длину волны, можно оценить запасенную энергию и необходимую импульсную СВЧ-мощность. Мощность примерно пропорциональна квадрату длины волны, но в то же время с уменьшением длины волны растут трудности при создании СВЧ-источника, связанные с малыми размерами. Сейчас в мире известно несколько проектов линейных коллайдеров. Если говорить о "теплых” (не сверхпроводящих) проектах, то они занимают диапазон частот от 3 до 30 ГГц. Большая часть проектов относится к X- диапазону, который, вероятно, и можно считать оптимальным для современной технологии. В Х-диапазоне для обеспечения предельного темпа ускорения необходима мощность около 100 МВт/м. Источник СВЧ и его система высоковольтного питания (модуляторы) являются наиболее дорогой частью линейного ускорителя. Для сокращения количества СВЧ- источников предполагается использовать системы умножения СВЧ-мощности, позволяющие от одного источника с более длинным импульсом питать большее количество ускоряющих структур.

Рассмотрим современное состояние клистронов X-диапазона, так как параметры этого типа приборов наиболее близки к требуемым параметрам проектов линейных коллайдеров. В работе также будет уделено внимание наиболее важным СВЧ-элементам большой мощности, таким, как окна, элементы системы умножения мощности.

Исторический обзор

После осознания необходимости и принципиальной возможности постройки линейного коллайдера [3, 4] в ИЯФ СО РАН начались интенсивные работы над проектом ВЛЭПП (встречные линейные электрон-позитронные пучки) и развитием технологий для его реализации. Были выполнены основополагающие работы по изучению предельного темпа ускорения, изучению динамики пучка в ускорителях [4]. Были начаты работы над источником СВЧ. Будущий линейный коллайдер будет включать в себя несколько тысяч источников, откуда следуют требования к нему: длительность эксплуатации более 100 тысяч часов, экономичность, относительная дешевизна в изготовлении, включая систему высоковольтного питания. После анализа был сделан вывод, что существовавшие на то время решения не удовлетворяют этим требованиям, нужны новые подходы. Время жизни вакуумного прибора определяется во многом временем жизни катода, которое, в свою очередь, зависит от плотности тока. Было решено, что плотность тока катода в будущем приборе должна быть около 5 А/см2. Фокусировка электронного луча должна осуществляться постоянными магнитами, так как использование электромагнитного соленоида в случае Х-диапазона неприемлемо из-за большого энергопотребления. Высоковольтное питание с помощью модуляторов также не представлялось возможным из-за их высокой стоимости и больших габаритов, требовавших дополнительного тоннеля. Возможным решением мог бы стать прибор с сеточным управлением, питающийся от высоковольтного источника постоянного напряжения.

На основе этих подходов была спроектирована система СВЧ-питания ВЛЭПП (рис. 1), разработаны и построены несколько образцов сеточных клистронов (рис. 2). Проектные параметры клистронов следующие:

–     14 ГГц;

–     1 МВ, постоянное; -300 А;

->70 дБ;

–    50%;

-120 мм, сеточный;

–    5А/см2;

–    МПФС;

–    распределенная.

частота напряжение ток усиление

КПД

диаметр катода максимальная плотность тока катода система фокусировки выходная система

Рис. 1. Схема СВЧ-питания ВЛЭПП

Рис. 2. Сеточные клистроны для проекта ВЛЭПП

Во время испытаний были получены мощность 60 МВт при длительности импульса 600 нс, усиление более 90 дБ [5, 6, 7]. Хотя полностью проектные параметры не были достигнуты, результаты продемонстрировали правильность выбранного подхода. Работы над прибором были остановлены в связи с прекращением финансирования проекта ВЛЭПП.

За рубежом продолжались разработки клистронов с частотой 11,4 ГГц с "классической" схемой электромагнитной фокусировки и модуляторным питанием. В СЛАК (SLAC- Стенфордский линейный ускоритель, США) разработан клистрон XL-4 с выходной мощность 75 МВт и длительностью импульса до 1,5 мкс [8].

В КЕК (Национальная ускорительная лаборатория, Япония) был спроектирован и построен (Тошиба) клистрон с близкими параметрами [9].

Следуя за работами ИЯФ, а затем ФИЯФ (Протвино), начались разработки клистронов с МПФС за рубежом. В 1996 году SLAC изготовил клистрон с МПФС. Была получена мощность около 50 МВт с КПД более 50% [10]. В данный момент СЛАК работает над 7егаваттным вариантом клистрона с МПФС. КЕК также провел испытание клистрона с МПФС собственной разработки. Была достигнута выходная мощность 73 МВт при длительности импульса 1,5 мкс [11].

Импульсный клистрон Х-диапазона с МПФС

Получить представление о современном состоянии разработок мощных клистронов X- диапазона можно на примере клистрона, спроектированного и изготовленного ФИЯФ по заказу КЕК. Его нельзя назвать вполне типичным прибором, так как он в отличие от зарубежных аналогов имеет катод большого диаметра (120 мм) с низкой плотностью тока, многосекционный высоковольтный изолятор, что повышает его электрическую прочность, модульную легко разбираемую магнитную систему. Чертеж этого клистрона приведен на рис. 3.

Положение электростатического экрана позволяет изменять размер сформированного пучка в пределах ±10% при изменении тока не более ±2%. Применен, как было сказано, секционированный изолятор, конструкция которого ранее испытывалась на постоянном напряжении и обеспечивала стабильную работу при напряжении 500 кВ. Это позволило рассчитывать на работу трубки без пробоев при импульсном напряжении 550 кВ, что и было подтверждено при испытании клистронов. Пучок согласовывается с магнитным полем МПФС с помощью двух линз. Такая схема позволяет согласовывать пучок как при изменении его пара-

Рис. 3. Чертеж импульсного клистрона X- диапазона: 1 – электростатический экран, 2 – ускорительная трубка, 3 – магнитные линзы, 4 – МПФС, 5 – усилительная часть, 6 – выходная система.

метров на входе в линзы, так и при изменении поля МПФС. Магнитная система разборная. Магниты изготовлены из материала NiFeB. Для торможения и отбора СВЧ-мощности от сгруппированного пучка в клистроне применена распределенная выходная система на бегущей волне, состоящая из 4 ячеек.

Клистрон был испытан в мае 1998 года. Исследование токопрохождения показало очень хорошее совпадение экспериментальных результатов с расчетными (рис. 4). На рис. 5 приведены экспериментальные и расчетные графики зависимости выходной мощности от напряжения. Меньшая по сравнению с расчетной мощность при напряжении 550 кВ объясняется, как показал дальнейший анализ, оседанием пучка в выходной системе клистрона.

В первом варианте прибора получена выходная мощность 50 МВт при длительности 500 нс и 75 МВт при 100 нс. Длительность импульса в последнем случае ограничивалась самовозбуждением на частотах 21,2 ГГц. Впоследствии было обнаружено, что причиной самовозбуждения являлся паразитный высокодобротный резонанс, поле которого было локализовано в пролетной трубе между последними двумя группирующими резонаторами.

СВЧ-окна

Диэлектрические окна являются важнейшей частью мощных электровакуумных приборов, которые во многом определяют его надежность и долговечность. Предполагается, что выходная мощность СВЧ-источников линейного коллайдера будет близкой к 100 МВт. Следовательно, даже если источник имеет два окна, каждое должно надежно работать при уровне мощности около 50 МВт. В процессе работы могут случаться пробои в нагрузке (ускоряющей структуре), которые порождают отраженную волну и могут привести к удвоению напряжения на диэлектрике окна. Учитывая это, хотелось бы иметь окно, способное выдерживать импульсную мощность 150-200 МВт без разрушения. Традиционные окна, такие, к примеру, как pill-box, не отвечают этому требованию, так как имеют поперечный размер близкий к длине волны. Для Х-дйапазона, где длина волны менее 3 см, мощность, проходящая через единицу поверхности диэлектрика, оказывается чрезмерно высокой. Исследования диэлектрических материалов показали, что лучшей для СВЧ-окна является керамика А120з высокой чистоты. Характерная напряженность поля на поверхности керамики, приводящая к пробою и разрушению, составляет 8 кВ/мм [12, 13].

Для проекта ВЛЭПП было разработано сверхразмерное конусное окно. При длине волны 22 мм диаметр полуволновой керамики был 66 мм. Окно было испытано в резонансном кольце, и мощность 50 МВт была пропущена через окно без разрушения [14]. Аналогичное окно было разработано и испытано в КЕК. При длине волны 26 мм диаметр полуволновой керамики составил 56 мм. Предел разрушения окна составил 70 МВт/500 нс [15].

Заметное продвижение в создании мощных СВЧ-окон произошло, когда была предложена концепция окна с бегущей волной в диэлектрике. Такое окно имеет напряженность на поверхности и в объеме керамики примерно в 1,7 раза меньше, чем полуволновое окно. Первое окно с бегущей волной было разработано и выполнено в ФИЯФ для S-диапазона. Тесты этого окна показали, что оно более чем в 2 раза превосходит наиболее мощное "классическое" pill-box-окно. Окно пропускало мощность более 400 МВт (2мкс, 50 импульсов в секунду) и не было разрушено. Границу разрушения по мощности установить не удалось, так как наступали ограничения по электрической прочности элементов резонансного кольца [16]. В настоящий момент все разрабатываемые окна X-диапазона для линейных коллайдеров являются окнами с бегущей волной.

Как показывает опыт, наиболее слабым местом окна, где начинаются пробои, а затем и разрушения, является место пайки керамики и металла. Способ избежать электрического поля в этом месте – сделать окно на типе волны ТЕ0ь который не имеет электрического поля на периферии. Такое окно X-диапазона было предложено, изготовлено и успешно испытано СЛАК [17] (рис. 6).

Но окно на ΤΕοι-моде с необходимостью включает в себя конвертер с парой мод ТЕю- ТЕоь который имеет сложную геометрию и делает окно заметно дороже. Другой интересный подход заключается в том, чтобы создать на поверхности такую комбинацию мод, чтобы поле на периферии в месте пайки керамики с металлом было близко к нулю. Такое окно с комбинацией мод ТЕп и ТМп было разработано и изготовлено [18]. Окно было успешно испытано в С ЛАК и при диаметре керамики 56 мм без разрушений пропускало импульсы мощностью 85 МВт, длительностью 1,5 мкс и частотой повторения 30 имп./с [17]. По этим параметрам окно не уступает ΤΕοι-окну близкого размера, но не требует сложных конвертеров (рис. 7).

Система умножения мощности – DLDS

Для уменьшения общего числа клистронов в будущем коллайдере предполагается использовать системы компрессии и сложения СВЧ-мощности. Как показывает анализ, на сегодняшний день наиболее экономически оправданной является система сложения мощности с линией задержки DLDS {Delay Line Distribution System) [19]. Принцип работы такой системы прост – мощность нескольких клистронов суммируется и передается по линии задержки (несколько десятков метров) вверх (навстречу пучку) вдоль ускорителя. За время задержки распространения мощности по линии и пролета пучка мощность от клистронов может быть перенаправлена на другую группу ускоряющих структур. Переключение мощности происходит изменением взаимных фаз клистронов. Число групп ускоряющих структур может равняться числу клистронов (рис. 8).

Рис. 9. Трехмодовая DLDS проекта NLC

Мощность до каждой группы может передаваться либо по отдельному волноводу, либо по одному волноводу, но с помощью разных волноводных мод. В первом случае DLDS называется одномодовой, во втором – многомодовой. Линией задержки служит сверхразмерный круглый волновод. К примеру/ в проекте NLC (SLAC) рассматривается возможность использования трехмодовой DLDS с модами ΤΕοι и ТЕ12 разных поляризаций, или двухмодовой с ТЕ01 и ΤΕι2 [20] (рис. 9).

Рис. 10. ТЕ10– ТЕ01-конвертеры

Рис. 11. ТЕ01- ТЕ 02-лончер-экстрактор

В проекте JLC (КЕК) предполагается использовать двухмодовую DLDS с модами ΤΕ0ι и ТЕо2 или одномодовую с рабочей модой ΤΕ0ι [21]. Так как структура поля на выходе клистрона соответствует фундаментальной моде в прямоугольном волноводе ТЕ0ь то ключевыми элементами DLDS становятся конвертеры мод, лончеры {launcher) и экстракторы. Лончер – устройство, которое запускает несколько разных мод в зависимости от комбинации фаз на входных портах. Экстрактор – устройство, которое выводит из линии задержки одну моду, пропуская другие дальше. Ниже на рисунках приведены примеры конвертеров мод ТЕю- ΤΕ0ι и ТЕог ТЕо2 лончера-экстрактора, разработанные ФИЯФ для КЕК [22, 23] (рис. 10, 11).

В связи с работами над проектами линейных коллайдеров в последние годы достигнуты большие успехи в создании мощных импульсных клистронов X-диапазона. В нескольких лабораториях построены прототипы с выходной импульсной мощностью около 75 МВт при длительности импульса 0,5-3 мкс, с КПД около 50%, с экономичной фокусирующей системой на постоянных магнитах. Для этих приборов созданы СВЧ-окна, пропускающие без разрушения мощность около 80 МВт. Успешно ведутся работы над системами сложения и транспортировки СВЧ-мощности на базе сверхразмерных волноводов. Для этой цели разработаны устройства, запускающие и извлекающие мощность из сверхразмерного волновода (лончеры, экстракторы) с эффективностью 100%, а также новые компактные трансформаторы типов волн. Так как число клистронов в будущих линейных коллайдерах будет исчисляться тысячами, к задачам, все еще ждущим своего решения, можно отнести создание относительно дешевого и компактного высоковольтного модулятора. Над этой проблемой сейчас интенсивно работают лаборатории СЛАК и КЕК.

Литература

1.       Balakin V. Е., Budker G. /., Skrinskii А. N. Feasibility of creating a superhigh energy colliding electron-positron beam facility // SLAC-TRANS-186. – Stanford : SLAC, Nov 1978. – 23 p.

2.       Wilson P. B. Application of High Power Microwave Sources to TeV Linear Colliders, in Applications of High Power Microwaves // Ed. A. V. Gaponov-Grekhov, V. L. Granatstein. Boston, London: Artech House, 1994. P. 229-317.

3.       Balakin V. E., Brezhnev Ο. N., Novokhatskii A. V., Semenov Yu. I. Accelerating structure of a colliding linear electron-positron beam (VLEPP): investigation of the maximum attainable acceleration rate //SLAC-TRANS-187. – Stanford : SLAC, Nov 1978. – 7 p.

4.       Balakin V. E., Koop I. A., Novokhatskii A. V., Skrinskii A. N., Smirnov V. P. Beam dynamics of a colliding linear electron-positron beam (VLEPP) // SLAC-TRANS-188. – Stanford: SLAC, Nov 1978. – 8 p.

5.       Balakin V. E., Arapov L. N., Bamburov Yu. G., et al. Experimental Reseach of the Relativistic Klystron for VLEPP // Contributed talks, BINP, Protvino, USSR, 17-27 Sep. 1991, v.3: issue 2 International Workshop on Linear Colliders – LC ’91, Protvino: Branch Inst. Nucl. Phys., 1992. P. 56-59.

1.        Arapov L. N.. Avrakhov P. V., Balakin V. E. et al. 14GHz VLEPP Klystron // Third European Particle Accelerator Conference: Intern, conf., Berlin, 1992. Singapore: Editions Frontiers. 1992. V. 1.1. P. 330-332.

2.        Balakin V. E, Khavin N. G., Klyuev V. F., et al VLEPP 14 GHz Klystron Testing // XV Workshop on Charged Particle Accelerators, Protvino: IHEP, 22-24 Oct. 1996. V. 1. P. 79-82.

3.        Caryotakis G. The X-Band Klystron Program at SLAC // SLAC-PUB-7146, April, 1996.

4.        Chin Y. K, Takata K, Fukuda S., Mizuno K, Michizono S., Yamaguchi S., Matsumoto S., Tokumoto S., Tsutsui H. and Kazakov S. The 120 MW X-Band Klystron Development at KEK // KEK preprint 98-118, August 1998.

5.         Caryotakis G. Development of X-Band Klystron Technology at SLAC // SLAC-PUB-7548, May, 1997.

6.         Chin Y. H., Matsumoto S., Mizuno K, Morozumi Y., Ohkawa T., Ohya K, Takata K, Toge N., Tokumoto S. KEK, Tsukuba, Japan, Kazakov S., Larionov A., Teryaev V., ΒΓΝΡ, Protvino. Russia, X-Band PPM Klystron Development for JLC // PAC-2001, Chicago, June 18-22.

7.         Michizono S., Saito Y., Yamaguchi S., et al //IEEE Trans. On Electr. Insul., 28. 1993. 692 p.

8.         Michizono S., Kinbara A., Saito Y., et al //J. Vac. Sci. Technol. A10. 1992. 1180 p.

9.        Бабкин E. Г., Балакин В. E., Клюев В. Ф., Лукин А. Н., Минков А. В., Пирогов О. В., Самойлов С. Л., Хавин Н. Г., Шемелин В. Д., Ясное Г. И. Резонатор бегущей волны на 14 ГГц с мощностью выше 100 МВт: Препринт ИЯФ 95-48. Новосибирск, 1995.

10.     Otake Г., Tokumoto S., Kazakov S. Y., Odagiri J., Mizuno H. High-Power Test of X-Band RF Windows at KEK // KEK Preprint 96-84, July 1996.

11.     Michizono S., Saito Y., Mizuno H., Kazakov S. Yu. High-power Test of Pill-Box and TW-in-Ceramic Type S-Band windows // KEK Preprint 94-157, December 1994.

12.     Vlieks A. E., Fowkes W. R., Loewen R., Jongewaard E., Menegat A., Tantawi S., Chin Y. H., Mizuno H., Takata K, Tokumoto S., Kazakov S., Ives R. Lawrence, Neilson J. High Power Window Test at SLAC //РАС 2001. Chicago, June 2001.

13.     Kazakov S. Yu. A New Traveling -Wave Mixed-Mode RF Window With a Low Electric Field in Ceramic-Metal Brazing Area // KEK Preprint 98-120, August 1999.

14.     Mizuno H. and Otake Y. A new RF power distribution system for X-band linac equivalent to an RF pulse compression scheme of Factor 2n // Proceedings of the 17th International Linac Conference, Tsukuba, Japan. August 21-16 1994. P. 463.

15.     Tantawi S. G. et al. A Multi-Moded RF Delay Line Distribution System for the Next Linear Collider // Proc. of the Advanced Accelerator Consepts, Baltimore. MD 6-11 July 1998. P. 967-974.

16.     International Study Group Progress Report // KEK Report 2000-7, SLAC R-559. April, 2000. P. 186-187.

17.     Kazakov S., Lunin A., Avrakhov P. New X-band RF Elements, Cold Measurements Results // Proc. of the VIII International Workshop on Linear Colliders LC99. Frascati (Rome). 21-26 October 1999.

Kazakov S. Yu. Component Works and TE02 Mode // Presented at KEK-SLAC ISG6 Meeting, KEK. November, 2000.

Источник: ВАКУУМНАЯ СВЧ ЭЛЕКТРОНИКА: Сборник обзоров. — Нижний Новгород: Институт прикладной физики РАН, 2002. — 160 с.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты